KR20180019221A - 반도체 장치의 방열 구조 - Google Patents

반도체 장치의 방열 구조 Download PDF

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KR20180019221A
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타케오 니시카와
타카요시 타와라기
에이이치 오므라
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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

기판(20)과 전기적으로 접속되는 전기적 접합면(11a)과, 그 반대측의 방열면(11b)을 갖는 반도체 디바이스(10)의 방열 구조(103)로서, 방열면(11b)이 도전성 TIM(33)을 통하여 히트 스프레더(31)에 접촉함과 함께, 이 히트 스프레더(31)가 절연성 TIM(43)을 통하여 히트 싱크(30)에 접촉하여 있고, 히트 스프레더(31)의 반도체 디바이스(10)측의 면이, 반도체 디바이스(10)의 외주 부근의 적어도 일부에 오목부(31a)를 갖고 있다.

Description

반도체 장치의 방열 구조
본 발명은, 표면 실장형의 반도체 장치(반도체 디바이스)의 방열(放熱) 구조(냉각 구조라고도 한다)에 관한 것으로, 특히, 박형 패키지의 반도체 장치에 적용할 수 있는 방열성이나 절연 신뢰성을 구비하는 방열 구조에 관한 것이다.
도 7(a)는 종래의 리드 타입의 디스크리트 부품(1)을 예시하는 개략 사시도이고, 도 7(b)는 근래 개발되어 있는 표면 실장형의 반도체 디바이스(10)를 예시하는 개략 사시도이다.
반도체 스위칭 디바이스의 고속화에 수반하여, 디바이스 자체의 기생 인덕턴스를 작게 할 것이 필요해진다. 도 7(a)에 도시하는 바와 같은 종래의 디스크리트 부품(1)(예를 들면, 리드 타입의 IGBT)과는 달리, 예를 들면, 도 7(b)에 도시하는 바와 같은 반도체 디바이스(10)에서는, 스위칭 속도가 매우 고속이기 때문에, 가능한 한 작은 기생 인덕턴스를 실현하기 위해 디바이스 패키지의 박형화가 진행되고 있다.
이와 같은 반도체 디바이스(10)는, 도 7(b)에 도시하는 바와 같이, 초박형의 패키지(11)에 넣어져 있고, 예를 들면, 기판과 전기적으로 접속되는 하나 이상의 전극(단자)(12)이 배치된 전기적 접합면(11a)과, 그 반대측에 방열을 겸하는 넓은 전극(13)이 배치된 방열면(11b)을 갖고 있다. 이 반도체 디바이스(10)의 실장시에는, 우수한 방열성이나 절연 신뢰성을 구비할 필요가 있어서, 예를 들면, 특허 문헌 1∼3 등의 기술이 제안되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개2006-147862호 공보 특허 문헌 2 : 일본국 특개2014-241340호 공보 특허 문헌 3 : 일본국 특개2000-311971호 공보
도 8(a)는 종래의 방열 구조(202)의 개략을 예시하는 단면도이고, 도 8(b)는 그 변형례인 방열 구조(202A)의 개략을 예시하는 단면도이다.
디바이스 비용을 저감하기 위해서는, 1개당의 디바이스로 가능한 한 대용량을 담당할 필요가 있기 때문에, 효율적으로 발열을 확산시키는 구조가 요구된다. 그 한 예로서는, 반도체 디바이스(10)에 히트 싱크(30)를 직접 접속하는 것이 생각된다.
또는, 도 8(a)에 도시하는 방열 구조(202)와 같이, 도전성의 열전도성 재료(TIM : Thermal Interface Material)의 한 예인 도전성 TIM(33)(예를 들면 50W/deg·m)을 통하여, 반도체 디바이스(10)를 히트 싱크(30)에 접속하여도 좋다.
그러나, 반도체 디바이스(10)의 패키지(11)의 박형화에 의해, 전압이 다른 전극(12) 사이의 거리가 가까워지기 때문에, 솔더 등의 도전 재료의 상황에 따라서는 절연 거리를 유지할 수가 없어서, 절연 파괴가 발생하여 반도체 디바이스(10)의 파손이 일어나는 일이 있다.
이것을 회피하기 위해, 예를 들면, 도 8(b)에 도시하는 방열 구조(202A)와 같이, 도전성 TIM(33)에 대신하여 절연성 TIM(43)(예를 들면 -10W/deg·m)을 반도체 디바이스(10)와 히트 싱크(30)와의 사이에 넣으면, 절연 파괴의 발생은 회피되지만, 열전도율이 낮기 때문에 대용량을 담당할 수가 없다. 그때문에, 반도체 디바이스(10)의 대형화·대용량화나 복수개의 병렬 사용 등이 필요해저서, 전체의 비용이 올라가 버린다는 과제가 있다.
종래 기술의 이와 같은 과제를 감안하여, 본 발명의 목적은, 표면 실장용의 박형 반도체 장치에 적용할 수 있는 우수한 방열성 및 우수한 절연 신뢰성을 겸비한 반도체 장치의 방열 구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 반도체 장치의 방열 구조는, 기판과 전기적으로 접속되는 전기적 접합면과, 그 반대측의 방열면을 갖는 반도체 장치의 방열 구조로서, 상기 방열면이 비절연(非絶緣) 부재를 통하여 도전성 고열전도(高熱傳導) 부재에 접촉함과 함께, 이 도전성 고열전도 부재가 비절연 부재를 통하여 방열 부품에 접촉하여 있고, 상기 도전성 고열전도 부재의 상기 반도체 장치측의 면이, 상기 반도체 장치의 외주 부근의 적어도 일부에 오목부를 갖고 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성의 반도체 장치의 방열 구조에 의하면, 반도체 장치에서 발생한 열은, 그 방열면부터 비절연 부재를 통하여 도전성 고열전도 부재에 전하여져서 확산되고, 또한 비절연 부재를 통하여 방열 부품에 전하여지기 때문에, 우수한 방열성을 구비할 뿐만 아니라, 도전성 고열전도 부재의 반도체 장치측의 면이 갖는 반도체 장치의 외주 부근의 오목부에 의해 절연 파괴의 발생도 회피할 수 있다.
본 발명의 반도체 장치의 방열 구조에 있어서, 상기 기판이 상기 도전성 고열전도 부재에, 상기 기판의 패턴의 적어도 일부가 상기 도전성 고열전도 부재와 도통하도록, 도전성 고정구(固定具)(나사 등)에 의해 고정되어도 좋다. 또한, 상기 기판이 상기 도전성 고열전도 부재에 또한 절연성 고정구(나사 등)에 의해 고정되어도 좋다.
이와 같은 구성의 반도체 장치의 방열 구조에 의하면, 절연 파괴의 발생을 보다 확실하게 회피할 수 있고, 정확한 위치맞춤도 가능해진다. 절연성 고정구에 의한 고정도 행하는 경우는, 정확한 위치맞춤이나 고정을 보다 확실하게 행하는 것이 가능해진다.
본 발명의 반도체 장치의 방열 구조에 의하면, 반도체 장치에서 발생한 열은, 그 방열면부터 비절연 부재를 통하여 도전성 고열전도 부재에 전하여져서 확산되고, 또한 비절연 부재를 통하여 방열 부품에 전하여지기 때문에, 우수한 방열성을 구비할 뿐만 아니라, 도전성 고열전도 부재의 반도체 장치측의 면이 갖는 반도체 장치의 외주 부근의 오목부에 의해 절연 파괴의 발생도 회피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 방열 구조(103)의 개략을 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태의 변형례에 관한 방열 구조(103A)의 개략을 도시하는 단면도.
도 3(a)는 종래의 방열 구조(202A)를 또한 도전성 TIM(33)을 통하여 히트 싱크(30)상에 탑재한 방열 구조(202B)의 개략을 도시하는 사시도, (b)는 그 단면도.
도 4는 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시한 방열 구조(202B)로 행한 열 시뮬레이션의 상세 조건을 표시하는 표.
도 5(a)는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 방열 구조(103)와 거의 같은 방열 구조(103B)의 개략을 도시하는 단면도, (b)는 그 부분 확대 사시도, (c)는 그 단면도.
도 6은 도 5(a)∼도 5(c)에 도시한 방열 구조(103B)로 행한 열 시뮬레이션의 상세 조건을 표시하는 표.
도 7(a)는 종래의 리드 타입의 디스크리트 부품(1)을 예시하는 개략 사시도, (b)는 근래 개발되어 있는 표면 실장형의 반도체 디바이스(10)를 예시하는 개략 사시도.
도 8(a)는 종래의 다른 방열 구조(202)의 개략을 예시하는 단면도, (b)는 그 변형례인 방열 구조(202A)의 개략을 예시하는 단면도.
이하, 본 발명의 몇가지의 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다.
<제1 실시 형태>
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 방열(放熱) 구조(103)의 개략을 도시하는 단면도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 이 방열 구조(103)에서는, 히트 싱크(30)상에, 절연성 TIM(43)을 통하여 비절연의 열 확산 소자의 한 예인 히트 스프레더(31)가 탑재되어 있다. 이 히트 스프레더(31)상에는, 도전성 TIM(33)을 통하여 반도체 디바이스(10)가 그 방열면(11b)을 아래로 하여 탑재되어 있다. 그 전기적 접합면(11a)의 전극(12)은, 기판(20)의 하면 패턴(22)에 솔더링 등에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 히트 스프레더(31) 상면에서, 반도체 디바이스(10)의 외주의 부근에서, 기판(20)에 솔더링 등에 의해 전기적으로 접속되어 있는 전극(12)(특히 방열면(11b)과는 다른 전위가 걸리는 것) 등의 부근에 오목부(31a)가 형성되어 있다. 이 오목부(31a)는, 예를 들면 반도체 디바이스(10)의 외주에 따른 홈형상의 것을 들 수 있지만, 그 내면은, 솔더링 등의 개소로부터 대강 등거리(等距離)가 되는 형상으로 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 방열 구조(103)에 의하면, 도전성 TIM(33)을 반도체 디바이스(10)와 히트 스프레더(31)와의 사이에 이용함으로써, 높은 열전도성을 실현할 수 있다. 또한, 반도체 디바이스(10)의 전극(12) 등의 솔더링 등의 개소와, 고전압차가 될 수 있는 히트 스프레더(31) 상면과의 절연 거리를 충분히 확보할 수 있다. 이에 의해, 저비용의 구조로 높은 방열성 및 절연 신뢰성을 양립할 수가 있어서, 전력 변환기 등의 전체의 비용 저감이 가능해진다.
또한, 도전성 TIM(33)의 저항치는 0이 아니고, 온도나 밀착 상태에 의해서도 변화하기 때문에, 반도체 디바이스(10)의 구동 중의 변화가 상정(想定)되고, 그 결과, 히트 스프레더(31)의 전위가 불안정하게 되어, 노이즈나 서지 전압 발생에 의한 반도체 디바이스(10)의 오동작이나 손상 등의 가능성이 있다.
그래서, 히트 스프레더(31)상에 나사 구멍(31b)을 마련하여, 기판(20)과 히트 스프레더(31)를 기판(20)측부터 도전성 나사(51)로 고정하여도 좋다.
이에 의해, 히트 스프레더(31)와, 동전위(同電位)가 되어야 할 기판(20)상의 패턴(예를 들면 하면 패턴(22))을 전기적으로 접속하여 전기적 안정도를 높여서, 반도체 디바이스(10)의 절연 파괴를 보다 확실하게 회피할 수 있다. 또한, 절연 거리를 충분히 확보하는데 중요한, 기판(20)에 솔더링 등이 된 반도체 디바이스(10)와 히트 스프레더(31)상의 오목부(31a)와의 정확한 위치맞춤도 가능해진다.
<제1 실시 형태의 변형례>
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태의 변형례에 관한 반도체 디바이스(10)의 방열 구조(103A)의 개략을 도시하는 단면도이다. 또한, 제1 실시 형태와 같은 구성 부재에는 같은 참조 부호를 붙이고, 이하에서는 주로 상위점에 관해 설명한다.
기판(20)에 솔더링 등이 된 반도체 디바이스(10)와 히트 스프레더(31)상의 오목부(31a)와의 정확한 위치맞춤이나, 기판(20)과 히트 스프레더(31)와의 고정을 위해서는, 기판(20)상에서 히트 스프레더(31)는 도통해서는 안되는 개소(예를 들면, 비아(23)를 통하여 반도체 디바이스(10)의 전극(12)과 도통하고 있는 상면 패턴(21))에서 나사 고정할 필요도 생길 수 있다.
그래서, 도 2에 도시하는 바와 같이, 히트 스프레더(31)상에 다른 나사 구멍(31c)을 마련하여, 기판(20)과 히트 스프레더(31)를 절연성 나사(52)로 고정하여도 좋다.
이와 같은 방열 구조(103A)에 의하면, 반도체 디바이스(10)와 오목부(31a)와의 정확한 위치맞춤이나 기판(20)과 히트 스프레더(31)의 고정을 보다 확실하게 행하는 것이 가능해진다.
실시례
도 3(a)는 종래의 방열 구조(202A)를 또한 도전성 TIM(33)을 통하여 히트 싱크(30)상에 탑재한 방열 구조(202B)의 개략을 도시하는 사시도이고, 도 3(b)는 그 단면도이다. 도 4는 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시한 방열 구조(202B)로 행한 열 시뮬레이션의 상세 조건을 표시하는 표이다.
우선, 비교 대상으로서, 방열 구조(202B)에서의 열 시뮬레이션을 도 4에 도시하는 조건하에서 행하였다. 절연 파괴를 회피하기 위해, 반도체 디바이스(10)와 히트 스프레더(31)와의 사이는 절연성 TIM(43)(0.3mmt)으로 하고, 히트 스프레더(31)와 히트 싱크(30)와의 사이는 도전성 TIM(33)(0.3mmt)으로 하였다.
열 시뮬레이션으로 얻어진 정상 상태의 단면(斷面) 온도 분포에 의하면, 이 방열 구조(202B)에서는, 반도체 디바이스(10)로부터의 발열에 의해 최대 58℃까지 온도 상승하고 있음이 확인되었다.
도 5(a)는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 방열 구조(103)와 거의 같은 방열 구조(103B)의 개략을 도시하는 단면도이고, 도 5(b)는 그 부분 확대 사시도이고, 도 5(c)는 그 단면도이다. 도 6은 도 5(a)∼도 5(c)에 도시한 방열 구조(103B)로 행한 열 시뮬레이션의 상세 조건을 표시하는 표이다.
다음에, 본 발명의 실시례로서, 방열 구조(103B)에서의 열 시뮬레이션을 도 6에 도시하는 조건하에서 행하였다. 이 방열 구조(103B)에서는, 반도체 디바이스(10)의 1변에 근접하는 히트 스프레더(31)상에 오목부(31a)가 형성되어 있다. 반도체 디바이스(10)가 도전성 TIM(33)을 통하여 히트 스프레더(31)에 접속됨과 함께, 이 히트 스프레더(31)와 히트 싱크(30)가 절연성 TIM(43)을 통하여 접속되어 있다.
열 시뮬레이션으로 얻어진 정상 상태의 단면 온도 분포에 의하면, 이 방열 구조(103B)에서는, 반도체 디바이스(10)로부터의 발열에 의한 온도 상승은 최대점에서도 46℃이고, 대폭적인 온도 저하(온도 상승이 약 36% 저감)가 확인되었다.
또한, 히트 스프레더(31)상에 마련된 오목부(31a)에서도 열 확산에 대해서는 큰 악영향이 없음을 알았다. 이와 같이, 히트 스프레더(31)에 오목부(31a)를 마련하여 절연 신뢰성을 확보함과 함께, 도전성 TIM(33)을 사이에 개재함으로써, 방열성 및 절연 신뢰성의 양립을 저비용으로 실현하는 것이 가능해진다.
이상으로 설명한 각 실시 형태 및 그 변형례 등의 각 구성은, 저해 요인 등이 특히 없는 한, 상호 조합하여도 좋다.
또한, 본 발명은, 그 주지 또는 주요한 특징으로부터 일탈하는 일 없이, 다른 여러가지의 형태로 실시할 수 있다. 그때문에, 상술한 각 실시 형태나 각 실시례는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허청구의 범위에 의해 나타내는 것이고, 명세서 본문에는 조금도 구속되지 않는다. 또한, 특허청구의 범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 전부 본 발명의 범위 내의 것이다.
이 출원은, 일본에서 2016년 4월 15일에 출원된 일본국 특원2016-081963호에 의거한 우선권을 청구한다. 그 내용은 이것에 언급함에 의해, 본 출원에 편입되는 것이다. 또한, 본 명세서에 인용된 문헌은, 이것에 언급함에 의해, 그 전부가 구체적으로 편입되는 것이다.
10 : 반도체 디바이스
11 : 패키지
12 : 전극
13 : 전극
20 : 기판
30 : 히트 싱크
31 : 히트 스프레더
33 : 도전성 TIM
43 : 절연성 TIM
51 : 도전성 나사
52 : 절연성 나사

Claims (3)

  1. 기판과 전기적으로 접속되는 전기적 접합면과, 그 반대측의 방열면을 갖는 반도체 장치의 방열 구조로서,
    상기 방열면이 비절연 부재를 통하여 도전성 고열전도 부재에 접촉함과 함께,
    이 도전성 고열전도 부재가 비절연 부재를 통하여 방열 부품에 접촉하여 있고,
    상기 도전성 고열전도 부재의 상기 반도체 장치측의 면이, 상기 반도체 장치의 외주 부근의 적어도 일부에 오목부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 상기 도전성 고열전도 부재에, 상기 기판의 패턴의 적어도 일부가 상기 도전성 고열전도 부재와 도통하도록, 도전성 고정구에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판이 상기 도전성 고열전도 부재에 또한 절연성 고정구에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치의 방열 구조.
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